什么是Ethernet/IP

chenwh78

楼主 2009/5/31 10:40:27

以太网工业协议（Ethernet Industrial Protocol，EtherNet/IP）是开放的工业联网标准支持实时I/O控制和消息传递功能。这种融合是基于将以太网应用于工业控制应用日益明显的需求。
工业以太网协议 (Ethernet/IP) 是由 ODVA 所开发并得到了罗克韦尔自动化的强大支持。它使用已用于 ControlNet 和 DeviceNet 的控制和信息协议 (CIP) 为应用层协议。
CIP 提供了一系列标准的服务，提供 “ 隐式 ” 和 “ 显示方式对网络设备中的数据进行访问和控制。 CIP 数据包必须在通过以太网发送前经过封装，并根据请求服务类型而赋予一个报文头。这个报文头指示了发送数据到响应服务的重要性。通过以太网传输的 CIP 数据包具有特殊的以太网报文头，一个 IP 头、一个 TCP 头和封装头。封装头包括了控制命令、格式和状态信息、同步信息等。这允许 CIP 数据包通过 TCP 或 UDP 传输并能够由接收方解包。相对于 DeviceNet 或 ControlNet ，这种封装的缺点是协议的效率比较低。以太网的报文头可能比数据本身还要长，从而造成网络负担过重。因此， EtherNet/IP 更适用于发送大块的数据 ( 如程序 ) ，而不是 DeviceNet 和 ControlNet 更擅长的模拟或数字的 I/O 数据。
EtherNet/IP指的是"以太网工业协议"(Ethernet Industrial Protocol)。它定义了一个开放的工业标准，将传统的以太网与工业协议相结合。该标准是由国际控制网络(CI, ControlNet International)和开放设备网络供应商协会 (ODVA)在工业以太网协会 (IEA, Industrial Ethernet Association)的协助下联合开发的，并于2000年3月推出。EtherNet/IP是基于TCP/IP系列协议，因此采用以原有的形式OSI层模型中较低的4层。所有标准的以太网通信模块，如PC接口卡、电缆、连接器、集线器和开关都能与 EtherNet/IP 一起使用。

在传输协议之上有加密协议，经过它，通用工业协议(CIP)可以在TCP/IP和UDP/IP上变换。CIP作为大型的独立于网络的标准，已经与ControlNet和DeviceNet一起使用了很多年。所以ControlNet, DeviceNet和EtherNet/IP具有相同的应用协议，因而使用通用的设备规范和目标库。这就使得不同厂商的复杂设备间能够即插即用地进行操作。EtherNet/IP倾向用于网络实时控制应用。借助CIP，以太网可以集成到设备级，能给用户提供诸多优势。通用配置、跨越几个网络及收集和控制数据、TCP/IP 连到全球互联网或公司内部网，在所有工作级上提供连续的信息流。
chenwh78

楼主 2009/5/31 10:42:06

引言
　　Linux作为一款稳定的、源代码开放的、免费的类Unix操作系统,已广泛应用到工业控制领域。与Win-dows操作系统相比,Linux操作系统具有很多明显的优势:性能更加稳定、系统更加安全;采用模块化的内核体系,具有可定制性、可配置性,可方便的裁剪;源代码完全开放,有着更成熟、更友好的编程接口;成本低廉。由于Linux内核的极大的可裁剪性、可配置性,在嵌入式系统中也取得了越来越广泛的应用,提高了系统的可靠性并降低了系统的成本。文中给出了在Linux下EtherNet/IP协议的实现方法。本程序也可方便的移植到嵌入式系统中,作为EtherNet/IP网络上的一个智能节点。
2 Linux下Socket编程
　　套接口Socket是开发TCP/IP网络应用程序的API,它定义了很多函数和例程,提供了访问TCP、UDP等协议的接口。应用程序只需通过这些接口就可通过TCP/IP协议发送接收数据,而无需了解其协议细节。套接口是面向客户端/服务器(C/S)模型设计的。为了实现通过TCP或UDP协议传输数据,需要在客户端和服务器端执行不同的函数调用。
　　图1为采用TCP协议通讯时的函数调用模型,数据通讯前要先建立连接。服务器端要先用Socket()函数调用创建一个TCP套接字,函数Bind()将本地地址接字地址绑定在一起,并可指定服务器的端口号和接受的客户端的IP地址范围。函数Listen()将套接字转化为倾听套接字。Accept()返回一个新的套接字与客户端通信。当客户端通过Connect()和服务器建立连接后就可以通过Read()和Write()传送数据。通讯完毕通过Close()关闭套接字。EtherNet/IP协议采用TCP传送显性报文。图2为采用UDP协议通讯时的函数调用模型,此时不需建立连接。对方地址通过在Sendto( )和Recvfrom( )函数中指定。EtherNet/IP协议采用UDP传送隐性报文。
图1 TCP协议的Socket编程模型
图2 UDP协议的Socket编程模型
3 EtherNet/IP协议体系结构
　　EtherNet/IP协议的体系结构如图3所示。应用层采用CIP协议,其底层完全采用了现有以太网的传输层、网络层、数据链路层、物理层,未作任何修改。因此,应用Linux的Socket编程接口,实现EtherNet/IP协议主要就是实现应用层的CIP协议。EtherNet/IP协议不仅支持点对点的通讯模式,还支持生产者/消费者通讯模式,这种一对一个或多个的通讯模式是通过IP多播的技术实现的。值得提出的是, EtherNet/IP、ControlNet、De-viceNet网络的应用层都是CIP协议,只是它们基于的物理层、数据链路层不同,实现了一种网络的CIP协议,略加修改就可以应用到其余两种网络上。这使得CIP协议有着更好的通用性,也使得CIP设备之间有更好的交互性。
图3 EtherNet/IP协议体系结构图
4 CIP协议模型
CIP协议提供了基于连接的数据通讯机制。CIP连接可以动态的建立。CIP连接可分为I/O连接(隐性报文连接)和显性报文连接。I/O连接为一个生产者和一个或多个消费者提供了专用的通讯路径。显性报文连接提供了典型的面向请求/应答的网络通讯,一般用来上载下载程序、设备信息、组态信息等。CIP协议的I/O连接模型如图4所示。CIP协议的显性报文连接模型如图5所示。数据通讯都要通过专门的连接对象进行。
图4 CIP协议I/O连接模型
图5 CIP协议显性报文连接模型
chenwh78

楼主 2009/5/31 10:42:47

CIP协议用面向对象语言描述。CIP协议对象模型如图6所示。未连接报文管理器(UCMM)的主要作用是建立I/O连接和显性连接。当一设备要与网络上另一设备建立连接时,先给对方设备的UCMM发送连接请求,对方设备若答应请求则创建、初始化连接对象,并向请求设备的UCMM返回响应信息。然后原来发出请求的设备创建、初始化自己的连接对象。连接完成之后,就可以通过连接对象传送显性报I/O报文。报文路由的主要作用是对报文打包、解包,将连接对象接收过来的报文解包,分发给各个对象。然后将各对象返回的数据打包,交给连接对象发送。
　　CIP设备中的对象分为3类:通用对象、应用对象和网络特定对象。通用对象有连接对象、报文路由对象、身份对象等。身份对象中存有设备型号、名称等信息。网络特定对象有TCP/IP接口对象、ControlNet接口对象和DeviceNet接口对象,分别存有和EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet特定网络相关的信息。应用对象是和具体应用、具体设备相关的对象,比如有AC/DC变频器,离散量、模拟量I/O等。
图6 CIP协议抽象对象模型
　　以离散量I/O的设备为例,需要实现的类有:身份类、报文路由类、连接类、连接管理类、TCP/IP接口类、Ethernet连接类、离散量I/O点类、离散量输入组/输出组类、汇编类。此外还要实现未连接报文管理器UCMM,虽然UCMM不是一个类,但是它是每一个设备所必需的。
5 EtherNet/IP协议数据封装格式
　　图7为EtherNet/IP协议的报文封装示意图。CIP协议报文经封装之后,在通讯时又逐层被封装上了TCP、IP、Ethernet报头。
图7 EtherNet/IP协议的报文封装
　　CIP报文封装的格式如表1所示。下面以向对方的UCMM发送建立显性连接的请求报文为例说明CIP报文封装。其16进制表示的报文为:
6F003E00000002200000 00000000000000000000
00000000000000000004 020000000000B2002E00
5402200624010AF00000 000000000180ABCD0100
98765432070000004082 1F00FB4240821F00FB42
A30220022401
表1 CIP报文封装格式
　　分析报文时需要注意网络字节顺序和本机字节。网络字节顺序是从高位到低位,本机字节顺序是从低位到高位。前两字节为命令字Command,注意高位低位存放顺序,0x006F为发送RRData命令。数据长度为0x3E=62字节,CIP报文总长度为62+24(报文头长度)=86字节。Session ID="0x20020000"。Status=0x00000000。Sender Context="0x00000000000000000"。
Options=0x00000000。接下来为RRData命令相关数据。Interface Handle="0x00000000",Time out项为0x0400。Item Count="0x0002",表明下面有两项:地址项和数据项。地址项Addr Item ID="0x0000",Addr Len="0x0000"。数据项Data Item="0x00B2",Data Len="0x2E"=46。接下来为CIP Data的内容。将CIP报文正确封装好,通过Socket编程接口发送到网络上的其他节点,就可以实现与网络上其他节点的通讯。具体命令、类、属性、行为、服务的ID请参照EtherNet/IP Specification。
6 结束语
　　本文通过分析EtherNet/IP协议给出了EtherNet/ IP协议在Linux上的实现方法。虽然目前工业以太网所占工业现场控制的份额较小,但是由于以太网已经取得的任何其他现场总线都不可比拟的商业应用,以及以太网技术的日益成熟、稳定、高速,工业以太网在未来的现场总线领域也一定会有所作为甚至“一网到底”。
chenwh78

楼主 2009/5/31 10:43:51

工业以太网产生的背景
　　(1) 统一现场总线标准成为泡影，诱惑依然
　　1984年美国着手制定现场总线国际标准，若干年以来，世界各大公司为了商业的利益，现场总线标准始终不能统一。通过多次投票、协商，2000年1月宣布的现场总线国际标准IEC61158将八种总线（Profibus，Interbus，P-NET，Worldfip等）同时列为国际标准（目前已达10种），形成一个妥协的结果。

　　同时，国外各大公司又推出了自己的标准，如LONWORKS、CAN、日本三菱、法国Schneider等，目前多种总线的标准同时存在的局面依然存在，人们所说的开放性和互操作性只能在同一种总线标准下实现，不同标准总线之间仍然受到限制。不同总线之间的互联性得不到保证，因此人们在努力寻求一种统一标准的现场总线，有人提出了采用TCP/IP协议的以太网。

　　(2) 系统集成的需求

　　 ① 工业自动化的管控一体化企业信息化是我国的国策，以制造自动化及信息化为例：在需要改变业务流程度的同时，将管理信息系统与电子商务、分散的网络化制造加以集成，把现有的企业资源ERP改造成为基于WEB的应用系统。目前工业自动化已从单机自动化、工厂自动化，向系统自动化发展，底层的信息要集成到上层的信息网上以实现管控一体化的集成系统。以现代制造业为例，其现代制造自动化模型如图1所示。

图1 现代制造自动化模型
　　现代化生产系统为一个多层的工业控制系统，一般分为三层：
　　? 设备层联接检测设备和执行机构；
　　? 控制层从现场设备取得数据，完成各种控制，监测运行参数，报警和历史趋势分析等；
　　? 信息层将控制系统的各种数据加工后传至上级管理网络（TCP/IP以太网），以便实现管控一体化，其网络结构如图2所示。

图2 企业管控一体化网络结构图
　　② 智能建筑的系统集成城市信息化、数字化的发展、智能建筑（包括智能化住宅小区），已成为数字化城市的信息站点，要实现信息共享，必须实现控制网与信息网的纵向集成，即控制网与TCP/IP的以太网集成。各子系统（空调、给排水、供电……）由控制网互联再经网关接入TCP/IP以太网，或者各子系统经网关直接接入TCP/IP以太网。

　　智能建筑集成系统网络结构如图3所示。

图3 智能建筑系统集成网络结构图
　　由于各子系统及各现场设备通讯协议是多样化的，这两种集成模式都要开发网关，以实现协议的转换和统一，这样加大了系统集成技术的复杂性，提高了成本。有人大胆提出能否用TCP/IP协议作为一个统一的协议，各子系统及各现场设备直接接到以太网上以简化系统集成的技术难度，降低成本，使控制信号直接由以太网传输，工业以太网的概念因此被提出。

2 以太网与CSMA/CD

　　(1) 以太网

　　以太网（Ethernet）1975年由美国XEROX公司研制成功，由于采用无源介质（如双绞线、同轴电缆等）来传播信息，所以以历史上把传播电磁波称为“以太”（Ether）来命名。

　　1980年由DEC、INTEL、XEROX三家联合推出了EthernetV2，是世界上第一个局域网规范。1983年IEEEE802委员会以DIX EthernetV2为基础推出了IEEE803，采用了CSMA/CD介质访问控制技术。

　　802.3是指采用CSMA/CD的网络，而以太网的标准由DIX EthernetV2定义，在不严格的情况下，可以称之为802.3局域网，也就是以太网。

　　工业以太网就是将商用以太网应用到工业控制系统，两种网络并没有本质的区别，两者是兼容的。

　　(2) CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）

　　CSMA/CD最早是由CSMA改进而来。

　　① CSMA（载波监听多路访问）：一个站要发送信号，首先要监听总线，以决定介质是否存在其它站发来的信号。

　　? 如果介质是空闲的，则可以发送；
　　? 如果介质正处于工作状态，则等待一段间隔后重试，当听到介质处于忙状态，CSMA有几种不同的方法处理，可得到的侦听信号：非坚持CSMA、1—坚持CSMA、P—坚持CSMA。

　　② CSMA/CD不但先听后发，而且还边听边发，总线上发生了冲突，而且一旦冲突被检测到，便停止发送该帧，放弃自已的帧。为了使其它站也能知道产生了冲突，监听到冲突的站还向总线上传播一个干扰阻塞信号，通知总线各站冲突已发生，这样通道的容量不致因传送已损坏的帧而浪费。随着网络负载的加大，碰撞的机会会增加，网络效率明显下降。

3 工业以太网的特点

　　(1) 技术成熟，使用方便以太网是美国XEROX公司于1975年推出的，至今已有30年历史，得到全世界众多厂家的支持，在军事、工业、民用领域得到了广泛应用。
　　(2) 具有统一的标准，开放性好采用统一的IEEE802.3以太网标准CSMA/CD，是IEEE802.3采用的介质访问控制技术，可以实现不同厂家之间的产品互联，是一种开放式标准网络。
　　(3) 通信速率高，传播速度快以太网的通信速率目前已经由10M提高到100M、1 000M，甚至10G。
　　(4) 可分段地实现远程访问、诊断和维护。
　　(5) 支持冗余连接配置，数据可达性强数据有多条通路，可达目的地。
　　(6) 系统容量大，不会因为系统扩大出现不可预料的故障，有成熟可靠的系统安全体系。
　　(7) 投资成本低，包括初期投资、培训费用及维护费用。
　　(8) 线路采用变压器双端隔离或光纤，抗干扰性强。

4 工业以太网目前存在的问题

　　现场总线是用于工业控制并为复杂而又恶劣环境的工业现场而设计的，因此对系统的实时性和响应时间有严格要求，对供电方式使用环境有特殊要求。由于以太网是为信息通信而设计的，用于工业控制存在以下问题：

　　(1) 以太网采用CSMA/CD访问协议，这是一种非确定性的网络，对于实时性要求高的控制系统，这种不确定性将造成信息不能按要求传递。同一网段上受到CSMA/CD媒体访问控制方式的制约。所谓网段是指连在同一共享式网络总线上，可以侦听到对方发出的信息，处于同一冲突碰撞区域（指会发生冲突碰撞的区域）的工作站和服务器连成的网络区。例如在一个冲突碰撞区域中有一个工作群组（由一台服务器和多台工作站组成），当多台工作站访问一个服务器时，由于受CSMA/CD的约束，同一时刻只允许一个工作站与服务器通信，其它工作站只能等待。各工作站争抢通信信道，从而使工作站的通信产生延时，而且这种延时时间是不确定的，工作站愈多争抢通信等待时间愈长，这种情况被称为负荷愈重等待时间愈长。

　　若在一个碰撞域中，假设有两个工作群组，处于一个碰撞域中，第一个工作群组工作站访问服务器时，要竞争网络宽带（例如100M），另一个工作群组中所有工作站及服务器都处于等待状态而无法运行。两个工作群组要分割原有网络宽带（100M），一个工作群组工作时，另一个群组必须等待，这样不仅具有延时，而且这种延时是不确定的。由于CSMA/CD有无法预见的延时，特别在重负载下，实时数据传送更得不到保证。控制系统要有实时性保证，必须在任何时间都要及时响应，不允许有任何不确定性。因此以太网用于控制系统必须解决实时性和不确定性问题。

　　(2) 以太网在可靠性方面不如现场总线，现场总线是为工业控制设计的，能适应易燃、易爆（如化工、制药）、干扰强烈场合及其它环境恶劣的场合。现场总线有屏蔽，接地与防爆等措施，而以太网需要解决这些问题。

　　(3) 现场总线规范要求网段上配有电源，为所有非自供电的设备提供电源，而以太网不提供电源，必须增加额外的供电电缆。

5 工业以太网的应用可行性

　　工业以太网用于工业控制，对于上述问题，随着以太网技术的发展和相应措施的实施，其实时性及可确定性取得很大改善：

　　(1) 不断提高以太网速率：近来年以太网的速率由10Mbps、100Mbps增加到1 000Mbps并已广泛应用。目前10Gbps的以太网已经商业化，数据传输时间大大缩短，响应时间得到提高，系统的实时性及不可确定性得到了改善。

　　(2) 采用交换机以太网技术：由于共享式以太网工作站点争抢信道而产生冲突碰撞影响了系统的实时性和不确定性，采用交换机以太网技术可使其得到改善。交换型的以太网中采用以太网交换机，交换机各端口之间同时可以形成多个数据通道，每个端口可连一个网段，端口之间帧的输入和输出不再受CSMA/CD介质访问控制协议的约束。当系统包括多个工作群组，一般让每个组群单独组成一个网段，每个网段占用交换器（机）一个端口（如图4所示交换机有A、B、C、D四个网段），各网段的工作大部分时间是独立的，当任意两个网段需要信息交换时，交换机能在2个独立网段之间建立信息通道（例如图4的A、B），一旦信息交换结束，通道即断开。

图4 交换机隔离的网段
　　由此看出，交换式以太网可以克服共享式以太网存在的问题：
　　? 交换机每个端口上，可连接一个网段，每个网段可独享带宽；
　　? 交换机每个端口上，所接网段之间是独立的、被隔离的，如需要网段间进行信息通信的话，可以暂建立信息信道，经过交换机的隔离，可大大减小冲突发生的概率，改善实时性和不确定性；
　　? 交换机VLAN技术的普遍采用，使交换系统能够分配给控制信息点专有的通道和带宽，从而保证在网络繁忙的时候，控制系统仍有足够宽裕的带宽，使以太网信息传输的实时性和不确定性基本上保持在理论的水平上。
chenwh78

楼主 2009/5/31 10:44:40

(3) 在某些应用场合允许的情况下，尽量将控制网与信息网分割开来使用，以避免实时数据与非实时数据的碰撞，使工业控制站点之间的以太网为独立网段，从而改善实时性和不确定性。除此之外，还可以采用全双工技术降低网络负载，以及在Ethernet+TCP/IP协议的基础上制订统一并适用于工业现场控制的应用层技术规范等措施。采取以上措施可以使工业以太网在某些军事、工业、民用的领域的现场测控中得到初步应用。例如，国外不少国家核加速器最新测控方案选择了以太网，除此之外汽车装配线、薄钢生产线等均采用工业以太网的方案，从测控领域的发展方向上看，工业以太网将是未来测控领域中的一个重要发展方向，也是企业管控一体化和智能建筑系统集成的一种最佳方案。

　　(4) 以太网的供电问题，多年来一直是一个缺陷，特别是随着IP电话、IP摄像机、无线AP、ENC（Ethernet Control System）等系统的应用，人们更提出以太网在传输数据的同时，传送部分能量，以满足小型网络设备用电的需求，解决小型网络设备供电的无序状态和居高不下的电源布线成本。因此IEEE 802.3af标准呼之即出，已形成一个以太网供电的国际标准，目前3COM、华为、DLINK等公司都有符合802.3af标准的交换机产品。IEEE 802.3af 标准的核心是在满足802.3 标准的同时，由交换机向网络终端设备提供48V或24V电源，至此工业以太网的供电问题得到很好的解决，其原理如图5所示。

图5 以太网自供电原理图
　　(5) 以太网是一种网络形式，TCP/IP协议是一种开放通信协议。安全问题不属于网络形式和TCP/IP协议。网络的安全性最终关心的是在网络上传输的应用层信息的安全，使它不被非法的修改、使用。保障信息及传输的安全不外乎两种方式：专有独立通道和信息加密。前一种方式目的是让不该得到的得不到，后一种方式让不该得到的得到了也不知道。以太网的虚拟专用网交换技术现已成为一种最基本的网络专用通道技术，已经非常成熟并广泛使用。以太网可以很方便的将需要的通道隔离出来。Internet的信息加密是TCP/IP之上的基本与之无关的应用信息处理方法。信息在发出之前要进行加密处理，信息在使用之后要进行解密处理。现在基本上都采用公开的加密算法，秘密不靠加密方法保证，而是靠密码（key）。信息安全的最后和最关键的因素是持有重要密码的人，他保管使用密码的过程、方式是通信系统的安全的核心。

6 工业以太网在智能建筑中的应用实例

　　(1) ENC-2001IP工业以太网测控系统简介

　　北京楼宇自动化工程中心（简称为北京楼宇自控中心）采用ENC-2001IP工业以太网测控系统对某小区15栋高层住宅的充配电、换热、采暖、通风、供水、消防、三表查收及楼宇对讲六个子系统远程监控，取得较好效果。

　　ENC工业以太网控制系统结构框如图6所示。

　　这些ENC参量控制模块可以把智能建筑各子系统集成到以太网、电梯系统、火灾报警等传统设备上，带有RS232或RS485接口，分别可接到ENCTRS200及ENCTRS400网关转换模块集成到以太网上，而IP电话及IP摄像机可以直接集成到以太网上。除此之外还提供CDMA/GRPS无线网关接口，例如系统报警信息即可通过该网关接口直接发送到手机上，并可通过手机对系统进行控制。

图6 系统结构框图
　　AI：模拟量输入模块（ENC AI） DI：数字量输入模块（ENC DI）
　　AO：模拟量输出模块（ENC AO） DO：数字量输出模块（ENC DO）
　　FI：脉冲输入模块（ENC FI） FO：脉冲输出模块（ENC FO）

　　网络实现数据管理系统：对底层设备的实时数据进行管理。

　　WEB服务：完成对整个系统的操作控制。

　　本地监控管理站：实际上是本地监控浏览器（Broswer）通过浏览器，可对系统监视。

　　远程工作站：实际上是远程监控浏览器（Broswer）在网上通过浏览器对系统进行监视
　　(2) ENC参量集成模块

　　ENC参量集成模块由北京楼宇自控中心开发。

　　① 功能
　　? 内嵌WEB SEVER，可以通过浏览器直接对其进行监控，配置校准；
　　? 客户认证功能；
　　? 内嵌防火墙功能；
　　? 支持SOCKET的通信规程；
　　? 完善的TCP/IP协议；
　　? 10/100baset符合IEEE 802.3af 标准的以太网接口。
　　② 硬件结构：由中央处理器MCU、以太网网卡、传感器、执行器、I/O接口以及存储器（电子硬盘），电源组成，如图7所示。

图7 ENC网络参量集成设备硬件结构图

图8 系统图
　　③ 系统结构：内嵌WEB SEVER，可与客户端（Broswer）进行通信，如图8所示。

　　(3) ENC系统特点

　　① 实现信息网络与控制网络统一
　　取消控制网与信息网的界限，控制信息化。所有设备通过ENC参量集成模块或接口直接集成到以太网上，ENC参量控制模块都是一个网络服务器，内嵌WEB服务器。

　　② 采用网络控制服务管理方式
　　中央控制中心是一套主服务器，控制各参量集成模块，可集中或分布处理各种数据，通过参量集成模块完成各种类型控制要求。

　　③ 系统结构简单，组网方便灵活，扩展维护方便
　　该系统通过以太网进行集成，智能建筑中局域网是不可缺少的，利用局域网这些模块可以就近插接，不用重新布线，所需器件均为标准化的，组网方便灵活，扩展维护方便。

　　④ 将控制系统升级为服务系统
　　该系统始终贯穿一种服务的理念，将设备的控制升级为设备对外提供的信息服务。这种服务的对象可以为人，也可以为机器。建筑中有了众多设备提供的优秀服务，智能建筑就成了一套智能服务系统集合，这正是人们所期待的。

7 结语
　　20世纪90年代以来，工业以太网取代控制网络进行了尝试，有不少成功的案例。以工业以太网为核心的测控技术是测控领域中的一个重要发展方向，但其实时性、可靠性、安全性、互操作性等尚需进一步研究完善。
chenwh78

楼主 2009/6/4 11:21:15

引　言　　
　　电力系统中，现场数据不但包括功率、电压、电流等测量数据，还包括分合闸、过流、速断等操作及事故所产生的事件数据。当发生事故而导致跳闸时，还要记录现场的故障录波数据，可见，需要通信的数据量是一般工业控制中所无法比拟的。由于电力系统现场数据的变化非常快，一次过流可能只维持十几毫秒，数据稍纵即逝，所以对数据的实时性、通信速度的要求是非常高的。
　　监控系统底层数据可靠、高效的通信是系统可靠性的关键，是设计监控软件的重点。一些现有的软件，将数据通信、处理和监控都做在一个软件中，虽然显得直观紧凑，但系统的升级改进却十分不便，一个微小的改动都要对全部系统进行重新整理，因此，采取模块化结构是比较好的一种选择。
笔者在一个大型电力监控系统设计中，硬件上采用通信站和监控站分开的独立方式，软件上将底层通信软件从监控软件中分离出去，在通信站中独立工作，通信站专门负责底层现场实时数据的采集，并和上层监控站进行双向数据通信。由于通信站的独立，使上层监控站的任务大大减轻，不但提高了底层的通信速率，还加快了监控界面的数据刷新速度。如果下层仪表数量很多，可以在通信站上采用多路双口RAM智能通信卡，并扩充为多个串口，进一步提高底层通信速度。
　　2　系统结构　　
　　给出了一种典型的系统结构，这种结构综合了以上讨论的特点。其中，两个通信站组成双机冗余热备，保证系统的安全运行，现场仪表的数据通过RS－485／422串口传送给通信站，通信程序读取串口的数据，解析后一方面将数据存入数据库，作为历史数据加以保存，另一方面通过TCP／IP协议，将数据打包后传递给上位机，在监控软件中进行运接送上以太网，也利于远程监测和故障诊断。
　　由于通信站和监控站是分离的，只要都支持TCP／IP通信协议，编写监控系统的工具语言不需要与通信站相同，这样就给用户提供了灵活的平台选择，可以利用一些图像功能强大而硬件功能相对弱的组态软件编写监控软件，以提供直观漂亮的操作画面。
　　对于一些特殊的下层仪表，如果通信协议不同，只需在通信软件中改变相应的协议即可，不需要对监控软件作出任何修改。用这种方法，可以非常灵活的兼容各种不同通信协议的仪表。这样，系统的升级和扩展就会相当方便。
3　提高通信速度的措施
　　3．1　硬件措施　　
　　通信站与上层监控站间的通信是通过以太网传输的，通信速度快，实时性很好。而现场仪表与通信站之间是通过串口读写数据的，在仪表传输速率与传输数据量一定的条件下，当现场仪表的数量多到一定程度，由于总数据量过大而造成通信时间过长，可能会成为限制实时性的瓶颈，为了解决这个问题，硬件上可以采取以下的改进。
　　3．1．1　多串口数据通信
　　串行通信具有连接简单、使用灵活方便、数据传递可靠等优点，在数据采集和实时控制系统中得到了广泛应用。
　　一般情况下，多台下层仪表连在一条通信总线上，通信站通过其一个串口连接一条通信总线，从而实现通信站与仪表的串行通信。这时，通信站对全部下层仪表作一次数据通信的时间等于通信站与每个仪表的通信时间之和。
在电力系统中，随着系统规模的增大，下层仪表数目增多，扫描周期将相应增大，从而使操作员难以及时掌握现场的运行状况，系统安全性得不到保证。由此可以看出，上下层通信速度极大的影响着整个系统的实时性，制约电力监控系统的规模及发展。
　　为解决这个问题，可将一个串行通信过程分成多个串行通信过程，以提高工作效率。如图3-1所示，硬件上通过使用多串口通信卡，软件上对各个串口同时扫描，实现多串口通信的并行工作方式。
　　这时下层仪表分别连在多条通信总线上，因为Windows操作系统支持多任务管理，计算机可同时对多个串口进行读写。假定有100台仪表，使用5个串口通信所需要的时间是用1个串口所需时间的1／5，这样就使通信速度大大提高。
　　3．1．2　多串口智能通信卡
　　智能通信卡是一种具有微处理器和双口RAM的高速通信接口板，可插在计算机的I／O扩展槽内使用，其主要作用是减轻计算机CPU处理通信任务的工作量，有助于提高系统数据刷新速度。
　　在使用多串口智能通信卡后，系统程序下发给仪表的命令可通过写硬件端口的方式存储在智能通信卡的RAM中，由通信卡利用自带的CPU，通过串行通信向仪表发送；另一方面通信卡利用自带的CPU接收仪表返回的数据，存储在其RAM中，系统程序通过读硬件端口的方式获得通信卡中的信息。
　　由此原本计算机与仪表之间繁重的串行通信工作，改由智能通信卡完成。这样计算机CPU的工作量大大减轻，与底层仪表的通信速度会大大加快。
　　3．2　软件的优化
　　现在计算机的运行速度大大超过底层数据的硬件传输速度，如果简单的进行一发一收式的顺序读写控制，计算机大部分时间都会处于等待数据的状态，浪费了大部分的计算机资源。
　　在Windows环境下，微软基类库（MFC）提供了对多线程的支持。在软件中可以使用多线程技术，每一个串口的读写对应一个线程，和上层程序的通信也用一个独立的线程，这样，上层程序对仪表的操作可以快速的显现出来。从宏观的角度上看，程序同时在对多个任务进行操作，CPU的运行速度得到了最大限度的发挥，充分的利用了计算机资源。
　　实践证明，采用多线程技术，从软件着手充分利用计算机CPU的速度优势，加快整个控制系统的上下层通信速度，非常有助于提高整个系统的实时性。
　　4　结束语　　
　　该文的方法在工程项目中采用后，不仅有效的提高了数据的通信速度，而且由于软件的模块化结构，下层通信程序的独立性，可以自由适应于不同的系统规模和各种类型的仪表，面对不同的需求，上层的监控程序不需要改动，只要将下层通信程序的通信协议改为对应仪表的即可。此方法不仅适用于电力系统监控，而且对其它大型工业测控系统具有广泛的应用价值。
xujun_127

楼主 2009/6/5 9:47:01

楼主辛苦了
流洒

楼主 2009/6/6 10:35:55

很不错
jhlu3

楼主 2009/6/9 18:25:59
daniel808492

楼主 2009/6/26 14:06:10

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